植物葉片及葉面塵的鉛含量協(xié)同監(jiān)測(cè)大氣鉛濃度研究

吳羽晨，鄧小莉，李永超

(新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

由于中國城鎮(zhèn)化推進(jìn)和現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的不斷擴(kuò)大，不僅城區(qū)而且郊區(qū)的大氣污染也越來越嚴(yán)重。鉛是一種普遍存在于人們生活中的重金屬，從其開發(fā)到生產(chǎn)、應(yīng)用，與之相關(guān)的物品已達(dá)到上百種，如含鉛汽油、護(hù)膚品、油漆以及食品加工中含鉛防腐劑的使用等，使得鉛污染越來越嚴(yán)重[1]。兒童若吸入過量的鉛會(huì)嚴(yán)重的干擾智力發(fā)育且會(huì)造成消化道系統(tǒng)疾病和內(nèi)分泌紊亂，也會(huì)導(dǎo)致貧血和破壞人體免疫功能，最終嚴(yán)重的損害人類的身心健康。由此可見，鉛化物是目前影響較廣的一種污染物[2-3]。

研究表明，重金屬在植物葉片中的積累量與其生長(zhǎng)土壤中重金屬含量無較大的相關(guān)性[7],植物葉片中重金屬含量主要來源于大氣[4-7]，且向其他部位遷移性較小[8]。而植物葉片能夠通過氣孔吸收并富集大氣中的鉛等有害物質(zhì)，并與積累在大氣中的大部分鉛濃度有一定的相關(guān)性，所以測(cè)得葉片中的鉛含量能更好地反映大氣的鉛污染程度[9-10]，還能客觀地反映葉片對(duì)大氣中鉛凈化能力的強(qiáng)弱。

葉面降塵是空氣中的固體小顆粒在光照、風(fēng)速、降水以及重力等因素的作用下吸附在植物葉片表面的固體小顆粒的總稱。由于工礦企業(yè)的各種廢氣廢渣、大量的汽車尾氣和塵土的揚(yáng)塵等顆粒物的降沉作用，葉片表面降塵中含有非常多的鉛化物，葉面降塵可體現(xiàn)一定區(qū)域大氣的污染狀況。因此，植物器官(如葉片)作為一種監(jiān)測(cè)材料，既方便又經(jīng)濟(jì)，在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了這種監(jiān)測(cè)方法[11]。但是，大多都是研究植物體自身的吸收和凈化能力，而有關(guān)的空氣污染監(jiān)測(cè)手段仍存在不足，準(zhǔn)確的相關(guān)性仍存在爭(zhēng)議[12-13]。

為此，本文選取豫北地區(qū)常見典型的4種綠化樹種楊樹(Populuscanadensis)、懸鈴木(Platanushispanica)、國槐(Sophorajaponica)和白蠟(Fraxinuschinensis)作為研究的對(duì)象，對(duì)新鄉(xiāng)市不同地區(qū)植物葉片的鉛含量、葉面降塵鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及空氣污染物鉛的含量進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，利用多元回歸分析4種綠化樹種對(duì)空氣污染因素鉛的適應(yīng)能力，探討4種綠化樹種葉片的鉛含量和葉片表面降塵鉛含量、空氣鉛濃度之間的聯(lián)系，為園林綠化樹種在環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況

新鄉(xiāng)市地處黃河、海河兩大流域，位于35°18′N，113°54′E，南臨黃河，北依太行，總面積8 249km2，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬寒夏熱、春秋短促，氣溫年較差極大，降水季節(jié)集中，年平均降水量573.4mm，年均濕度68%，年均無霜期為205d。季風(fēng)特征較明顯，冬寒夏熱、春秋短促、氣溫年較差極大、降水季節(jié)集中，全年最多風(fēng)向?yàn)闁|北東風(fēng)，頻率為17.49%，次多風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，頻率為12.3%。年平均風(fēng)速為2.45m/s。每當(dāng)秋冬之際，冷空氣從東南方向來襲，由于受太行山的阻隔作用，其風(fēng)速會(huì)變小。降水量在季節(jié)分配上極不均勻，大致與冬、夏季風(fēng)進(jìn)退相一致。市境霜凍初日多出現(xiàn)在10月下旬，霜凍終日多出現(xiàn)在4月上旬。

2 研究方法

2.1 樣品

2.1.1 采樣點(diǎn)

采用分層隨機(jī)抽樣調(diào)查法，按照污染程度對(duì)新鄉(xiāng)市城鎮(zhèn)進(jìn)行功能分區(qū)布點(diǎn)采樣(11個(gè))。分別為工業(yè)區(qū)3個(gè)(北站化肥廠、水泥廠、發(fā)電廠)；商業(yè)交通區(qū)3個(gè)(建設(shè)路中段、和平路中段、金穗大道西段)；居民區(qū)3個(gè)(紫郡小區(qū)、常青藤小區(qū)、格林小鎮(zhèn))；清潔區(qū)2個(gè)(和諧公園、京華園)。

2.1.2 采樣樹種

通過對(duì)新鄉(xiāng)市內(nèi)主要街道、公共綠地、公園和居民區(qū)進(jìn)行調(diào)查，選擇確定楊樹、懸鈴木、國槐和白蠟4個(gè)樹種作為供試樹種。所選4個(gè)樹種生長(zhǎng)狀況見表1。

表1 所選樹種和生長(zhǎng)狀況

2.1.3 采樣方法

葉片采樣 于2017年9-10月期間，在雨后第3d不同功能區(qū)選擇生長(zhǎng)健康的優(yōu)良植株采集葉片和測(cè)定。采樣時(shí)同一樹種樹高、胸徑、生長(zhǎng)狀況等條件保持基本一致，各取樣點(diǎn)同一樹種采集3-4株。采樣位置均選擇樹冠外圍東西南北4個(gè)方向，距離地面高度2.5m左右處采集同枝齡的葉片。每枝選取第3-5片老葉作為測(cè)量樣品。

降塵采樣 雨后每隔5d采樣1次，每樹種均采集同一高度的成熟健康葉片，用微孔濾膜抽濾法收集降塵。

大氣采樣 在不同功能區(qū)用兩段式空氣分割法，以過氯乙烯為膜材料的空氣采樣器采集空氣中的粒子，流速為100L/min，持續(xù)采樣3h，兩段膜完全分解后再測(cè)定。每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)3次。

2.2 測(cè)定及分析方法

2.2.1 測(cè)定方法

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)所收集的葉片和降塵進(jìn)行處理，采用艾氏卡試劑消化樣品，并用原子吸收法測(cè)定鉛的含量[14-18]。

大氣鉛濃度的測(cè)定 將采樣膜稱重，蒸發(fā)直至干燥，定容，取適量液體，用陽極溶出伏安分析法測(cè)定大氣中的鉛濃度[19]，每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)3次。

2.2.2 分析方法

利用多重比較法分析不同功能區(qū)不同樹種葉片的鉛含量和降塵中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異性；利用Spearman 法對(duì)因變量(葉片的鉛含量)和自變量(降塵中的鉛含量與大氣鉛濃度)進(jìn)行相關(guān)性分析。并建立三者之間的生物監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型。采用 Mirosoft、Excel、SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，采用Word 2010軟件進(jìn)行圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉片及葉面降塵的鉛含量和大氣鉛濃度比較

植物葉片可吸收富集鉛等多種污染元素，反映排放源附近元素的輸入特征及污染水平，可以作為較長(zhǎng)期的污染指示劑，植物葉面降塵由于對(duì)大風(fēng)大雨等氣象條件的敏感性，可作為不同功能區(qū)污染的短期監(jiān)測(cè)指標(biāo)。由表2可見，工業(yè)區(qū)、商業(yè)交通區(qū)和居民區(qū)的大氣鉛濃度與清潔區(qū)相比差異均極顯著；對(duì)4種樹木葉片鉛含量和降塵中的鉛含量而言，工業(yè)區(qū)和商業(yè)交通區(qū)與清潔區(qū)相比差異極顯著，而居民區(qū)與清潔區(qū)相比差異顯著；對(duì)楊樹、國槐葉片鉛含量和葉面降塵中的鉛含量而言，商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)與清潔區(qū)相比差異極顯著，而清潔區(qū)與居民區(qū)相比差異顯著；對(duì)懸鈴木和白蠟葉片鉛含量和降塵中的鉛含量而言，工業(yè)區(qū)葉片鉛含量與清潔區(qū)相比差異極顯著，而商業(yè)交通區(qū)和居民區(qū)葉片鉛含量與清潔區(qū)相比差異顯著。這說明降塵和葉片對(duì)大氣污染元素鉛的濃度變化反應(yīng)敏感。由4個(gè)功能區(qū)4種城市綠化樹木葉片鉛含量的變化可以看出，葉片鉛含量均隨污染程度的的增加而增多，即工業(yè)區(qū)>商業(yè)交通區(qū)>居民區(qū)>清潔區(qū)。

表2 各功能區(qū)4樹種葉片鉛含量及降塵中鉛含量與大氣鉛濃度比較

注：**為葉、降塵鉛含量，大氣鉛濃度分別與清潔區(qū)比較差異極顯著(P<0.01)，*為差異顯著(P<0.05)。

4個(gè)綠化樹種葉片鉛含量和降塵中的鉛含量均隨空氣中鉛濃度的升高而升高，在工業(yè)區(qū)達(dá)到了峰值。其中，增加幅度由大至小依次是楊樹葉片、國槐葉片、懸鈴木葉片和白蠟葉片。其中，楊樹在工業(yè)區(qū)(化工廠)其葉片鉛含量和降塵中的鉛含量分別是清潔區(qū)的5.14倍和3.64倍，懸鈴木葉片為3.49倍和2.25倍，國槐葉片為4.08倍和2.72倍，白蠟葉片為2.96倍和2.04倍。此外，在同一功能區(qū)內(nèi)，楊樹的葉片及葉面塵鉛含量顯著高于其他綠化樹種，白蠟的葉片及葉面塵鉛含量明顯低于其他樹種，這表明由于物種差異，楊樹對(duì)鉛污染物的吸收積累能力最強(qiáng)，白蠟對(duì)鉛污染物的吸收積累能力最差，國槐、懸鈴木對(duì)鉛等污染物的吸收同化能力居中。

3.2 葉片鉛含量、大氣鉛濃度與降塵中鉛含量的數(shù)學(xué)模型

由表3可見，4種樹木葉片鉛含量與降塵鉛含量、大氣中鉛濃度3者擬合的二元生物監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型均相關(guān)性顯著，其中國槐和楊樹葉片(編號(hào)1、3)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.779 2 和 0.771 3；懸鈴木和白蠟葉片(編號(hào) 2、4)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.736 8 和 0.733 3。因此可以認(rèn)為，植物葉片中的鉛主要來自對(duì)大氣和降塵的吸收。另外，國槐和楊樹葉片的鉛含量與降塵中鉛含量擬合的一元生物監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型(編號(hào) 5、7)相關(guān)性十分顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.764 8 和 0.757 9，白蠟葉片中的鉛含量和懸鈴木葉片鉛含量與降塵中的鉛含量擬合的一元生物監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型(編號(hào)6、8)相關(guān)性也十分顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.728 6 和 0.692 6，表明葉片氣孔直接吸收了鉛的氧化物等大氣污染物。還有，大氣中鉛的濃度和4種樹木葉片鉛含量擬合的一元生物監(jiān)測(cè)模型相關(guān)性也顯著。其中，楊樹的葉片鉛含量與國槐葉片中的鉛含量(編號(hào)9、11)，相關(guān)系數(shù)分別為0.793 4和 0.791 8，懸鈴木葉片鉛含量和白蠟葉片中的鉛含量(編號(hào)10、12)，相關(guān)系數(shù)分別為0.738 5和 0.652 5，這表明葉片中的部分鉛也同時(shí)來自于對(duì)降塵中鉛化物的直接吸收。

表3 葉片鉛含量和大氣鉛濃度及降塵中鉛含量的數(shù)學(xué)模型

注：Cyys、Cxys、Cgys、Cbys、Cyjs、Cxjs、Cgjs、Cbjs、Cair分別代表?xiàng)顦淙~片、懸鈴木葉片、國槐葉片、白蠟葉片、楊樹降塵、懸鈴木降塵、國槐降塵、白蠟降塵鉛含量和大氣鉛濃度，*為差異顯著，**為差異極顯著。

4 討論與結(jié)論

研究結(jié)果顯示，楊樹葉面降塵中的鉛含量是它的葉片鉛含量的1.52-1.82倍，懸鈴木的葉面降塵中的鉛含量是它的葉片鉛含量的1.60-1.70倍，國槐的葉面降塵中的鉛含量是它的葉片鉛含量的1.63-2.82倍，白蠟的葉面降塵中的鉛含量是它的葉片鉛含量的1.57-2.95倍。這表明可被植物葉片吸收的有效態(tài)鉛的比例較低，即葉面降塵顆粒物中僅有小部分的鉛化物以有效態(tài)形式存在。

許多研究表明，大氣中的鉛濃度與植物葉片的含鉛量有明顯的相關(guān)性[19-24]。其中雪松、楊樹葉片對(duì)大氣中鉛具有明顯的滯留能力[25]；對(duì)鉛累積量較高的樹種有楊樹、廣玉蘭、女貞[26]。本研究結(jié)果表明，國槐和楊樹葉片的鉛含量與大氣中鉛濃度具有明顯的相關(guān)性(R2=0.7713，0.7792)，懸鈴木和白蠟葉片中鉛的含量與大氣中鉛的濃度也顯著相關(guān)(R2=0.7368，0.7333)，這與藺芳等[26]、王愛霞，黃曉霞等[27-30]的研究結(jié)果一致。說明葉片鉛含量部分來源于對(duì)大氣鉛化物的直接吸收。此外，由于植物葉面降塵主要來源于工業(yè)廢氣排放、公共交通和土壤揚(yáng)塵等顆粒物的沉降，因此，葉面降塵中更是含有大量的鉛化物。本研究中，楊樹和國槐葉片的鉛含量與降塵中鉛含量的相關(guān)性就是極顯著的(R2=0.764 8，0.757 9)；懸鈴木和白蠟葉片的鉛含量與降塵中鉛含量的也顯著相關(guān)(R2=0.728 6，0.692 6)。由此證明葉片含鉛量與葉面降塵鉛含量的顯著相關(guān)性。以上說明植物葉片和葉面降塵均可作為有效的生物指示劑，二者協(xié)同監(jiān)測(cè)，其靈敏度更高。

與以葉片的鉛含量分別與葉面降塵中的鉛含量及大氣鉛濃度為基礎(chǔ)的一元生物監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型相比，利用多重比較法分析不同功能區(qū)的植物葉片的鉛含量與葉面降塵的鉛含量及大氣鉛濃度后發(fā)現(xiàn)均有極顯著性差異(R2分別為0.779 2、0.771 3、0.736 8、0.733 3)，故以植物葉片和降塵鉛含量及大氣鉛濃度為基礎(chǔ)的生物監(jiān)測(cè)二元數(shù)學(xué)模型(1、3、2、4)有較高的實(shí)用價(jià)值，也較一元數(shù)學(xué)模型(5-12)有更高的可靠性和靈敏度。